Viện Nghiên Cứu Điện tử, Tin học và Tự động hoá

Báo cáo tổng kết đề tài:

Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo các module
phục vụ đo lờng giám sát
trong trạm khí tợng tự động Cnđt: Trịnh Hải Thái 7985

Hà nội 2009


9.5. Cấu trúc cơ sở dữ liệu trong GIS 59
9.6. Hệ quản trị cơ sở dữ liệu của GIS 60
10. Bản tin METAR 61
10.1. Khái quát chung về bản tin METAR REPORT: 61
10.2. Giao diện METAR REPORT: 62
2
10.3. Các trường dữ liệu chung : 62

10.4. Giải mã bản tin METAR/MET REPORT 66
CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ CHẾ TẠO CÁC MODULE TRONG TRẠM
KHÍ TƯỢNG TỰ ĐỘNG 71

1. Xây dựng mô hình tổng quát giám sát mạng lưới khí tượng 71
2. Thiết kế trạm khí tượng tự động 74
2.1 Đặc điểm ,chức năng trạm khí tượng tự động 74
2.2. Lựa chọn sensor: 75
2.2.1. Sensor đo độ ẩm, nhiệt độ SHT75: 75
2.2.2. Sensor đo mưa SL3-1 77
2.3. Thiết kế phần cứng trạm khí tượng tự động 78
2.3.1. Thiết kế phần cứng Data Logger 78
2.3.2. Thiết kế phần cứng transmitter đo độ ẩm và nhiệt độ không khí
85

2.3.3. Thiết kế phần cứng transmitter đo hướng gió và nhiệt độ đất.86
2.3.4. Thiết kế khối nguồn 87
2.4. Xây dựng phần mềm cho data logger 90
2.4.1. Lựa chọn công cụ phần mềm cho Data logger 90
2.4.2. Thiết kế các chức năng phần mềm cho Data Logger 90
2.4.3. Giao tiếp với thẻ nhớ 96
2.4.4. Truyền thông GSM: 98


4
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI
1. Cơ sở pháp lý/ xuất xứ của đề tài
Đề tài “Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo các module phục vụ đo lường giám sát
trong trạm khí tượng tự động” được thực hiện theo:
Hợp đồng nghiên cứu khoa học và phát triển công nghệ số 023-09RDBS/HĐ-
KHCN. giữa Bộ Công Thương (Bên A) và Viện Nghiên cứu Điện tử, Tin Học, Tự
động hóa (Bên B) ký ngày 30 Tháng 03 Nă
m 2009.
2. Tính cấp thiết và mục tiêu nghiên cứu của đề tài
2.1. Tính cấp thiết
Việt nam là một quốc gia nằm trong khu vực đông nam Châu Á, có vị trí địa lý
trải dài từ 8
0
30’ đến 23
0
22’ độ vĩ Bắc và từ 102

Bằng) làm chết 56 người.
Theo Ban chỉ đạo phòng chống lụt bão Trung ương, năm 2005, tình hình thiên
tai diễn biến phức tạp, xảy ra liên tục, dồn dập ở hầu hết mọi miền đất nước, làm
379 người thiệt mạng và gây thiệt hại về vật chất trên 5.200 tỷ đồng.
Theo Tổng cục thống kê trong vài năm trở lại đây thiên tai, lũ l
ụt vẫn tiếp tục
gia tăng:
Trong năm 2006 nước ta đã chịu ảnh hưởng của 10 cơn bão, 4 áp thấp nhiệt
đới, 9 đợt lũ quét, nhiều trận lốc xoáy, mưa đá… trong năm nay. Dù Chính phủ đã
chỉ đạo các địa phương chủ động phòng chống nhưng thiệt hại do thiên tai gây ra
vẫn rất lớn.
Theo Ban Chỉ đạo phòng chống lụt bão Trung ương, gây thiệt hại lớn nhất v
ề
người và tài sản trong năm 2006 là những trận bão có sức tàn phá kinh hoàng như:
Cơn bão số 6, số 9, số 1…
Thiên tai đã khiến 339 người thiệt mạng, 274 người mất tích, 2.065 người bị
thương; 75 nghìn ngôi nhà bị đổ, trôi; 554 căn khác bị ngập, hư hại…
Về sản xuất kinh tế, đã có làm 140 nghìn ha lúa bị ngập, trong đó hơn 21 nghìn
ha bị mất trắng; 122 nghìn ha hoa màu bị ngập, hư hại; gần 10 nghìn ha nuôi trồng
thuỷ sản, hơn 2 nghìn tàu thuyền bị chìm, hư hại; gần 1,1 triệu m3 đất đá công
trình thủy lợi bị sạt lở, bồi lấp…
Năm 2006 tổng thiệt hại ước tính gần 18,6 nghìn tỷ đồng (1,19 tỷ USD).
Năm 2007 Tổng cục Thống kê cho biết, tổng thiệt hại do thiên tai, chủ yếu là
do sạt lở đất, mưa to và bão lũ gây ra ở 50 tỉnh, thành phố trên cả nước ước tính
lên tới trên 11.600 tỷ đồng, bằng khoảng 1% GDP. Thiên tai đã làm 435 người
chết, mất tích; làm ngập và hư hại 113.800 ha lúa; phá huỷ trên 1.300 công trình
đập, cống, làm sạt lở cuốn trôi hơn 1.500 km đê và kênh mương; làm hơn 7.800
ngôi nhà và phòng họp bị sập đổ.
Do ảnh hưởng nặng nề của thiên tai nên tình trạng thiếu đói vẫn xảy ra ở
những vùng thiên tai. Năm 2007, cả nước có 723.900 lượt hộ với 3.034.500 lượt

nay đều do nước ngoài cung cấp, tuy nhiên sau một thời gian hoạt động đã hư
hỏng. Các trạm quan trắc khí tượng tự động ngoại nhập giá thành cao, chi phí duy
trì hoạt động lớn, khả năng nâng cấp mở rộng rất khó, c
ụ thể như trạm quan trắc
khí tượng tự động đã có mặt trên thị trường Việt Nam của Monitor sensors,
MetOne, Campbell, Vaisala, khi hỏng đều phải mua module thay thế chính hãng
và thuê chuyên gia xác định sai hỏng với kinh phí lớn, thời gian sửa chữa cũng
không kịp thời làm gián đoạn công việc quan trắc trong thời gian dài.
Trước yêu cầu cấp bách đó, Chính phủ đã chỉ đạo "Đổi mới và tăng cường thiết
bị quan trắ
c đo đạc, truyền số liệu, công nghệ dự báo và xây dựng một số cơ sở cần
thiết cho lắp đặt thiết bị đo đạc, nhằm nâng cao năng lực công tác cảnh báo, dự báo
chính xác, kịp thời sự xuất hiện và quá trình diễn biến các hiện tượng thiên tai".
7
Ngày 29/11/2007 Thủ tướng chính phủ Nguyễn Tấn Dũng đã ra quyết định số
16/2007/QĐ-TTg về việc phê duyệt “Quy hoạch tổng thể mạng lưới quan trắc
tài nguyên và môi trường quốc gia đến năm 2020” trong đó gồm 3 giai đoạn
như sau:
a) Giai đoạn 2007 - 2010:
- Xây dựng và hoàn thiện cơ cấu tổ chức, bộ máy quản lý và điều hành; đào tạo
bổ sung đội ngũ
quan trắc viên, đáp ứng yêu cầu, nhiệm vụ của mạng lưới quan
trắc tài nguyên và môi trường quốc gia;
- Bổ sung, sửa đổi các quy định, quy trình, quy phạm, chỉ tiêu quan trắc một
cách đồng bộ, đáp ứng được yêu cầu, nhiệm vụ quan trắc của từng lĩnh vực tài
nguyên và môi trường cụ thể;
- Củng cố và từng bước hiện đại hoá các trạm quan trắc tài nguyên và môi
trường hiện có; xây dựng và
đưa vào vận hành ít nhất 1/3 số trạm dự kiến xây mới,
trọng tâm là những khu vực, những yếu tố quan trắc có nhu cầu cấp bách phục vụ

mới:
- Mạng lưới quan trắc môi trường nền đến năm 2020 gồm 8 điểm quan trắc
môi trường nền không khí, 60 điểm quan trắc môi trường nền nước sông, 6 điểm
quan trắc môi trường nền nước hồ, 140 điểm quan trắc môi tr
ường nền nước dưới
đất và 12 điểm quan trắc môi trường nền biển ven bờ và biển khơi;
- Mạng lưới quan trắc môi trường tác động đến năm 2020 gồm 34 đơn vị
quan trắc với cơ sở vật chất, trang thiết bị quan trắc hiện đại. 58 tỉnh, thành phố
trực thuộc Trung ương, khu công nghiệp quan trắc tác động môi trường không khí;
64 tỉnh, thành phố trực thuộc Trung ươ
ng, khu công nghiệp quan trắc tác động môi
trường nước mặt lục địa; 21 tỉnh, thành phố trực thuộc Trung ương quan trắc mưa
axit; 32 tỉnh, thành phố trực thuộc Trung ương quan trắc môi trường đất. Thực hiện
quan trắc môi trường biển ở 48 cửa sông, 14 cảng biển, 11 bãi tắm, 7 vùng nuôi
trồng thuỷ sản, 160 điểm ngoài khơi; quan trắc môi trường phóng xạ ở 120 mỏ và
tỉnh, thành phố trực thuộ
c Trung ương; quan trắc chất thải rắn ở 64 tỉnh, thành phố
trực thuộc Trung ương (tập trung cho các khu công nghiệp, làng nghề); quan trắc
đa dạng sinh học ở 49 vườn quốc gia và khu bảo tồn thiên nhiên.
b) Mạng lưới quan trắc tài nguyên nước, gồm quan trắc tài nguyên nước mặt
và quan trắc tài nguyên nước dưới đất:
- Mạng lưới quan trắc tài nguyên nước mặt đến năm 2020 gồm 348 trạm, trong
đó có 270 trạm quan trắc lượng n
ước sông, 116 trạm quan trắc chất lượng nước sông,
hồ và 1580 điểm đo mưa. Các trạm, điểm quan trắc này đã được lồng ghép tại các
trạm, điểm thuộc mạng lưới quan trắc khí tượng thủy văn;
9
- Mạng lưới quan trắc tài nguyên nước dưới đất được xây dựng trên cơ sở duy
trì, nâng cấp 39 trạm, 286 điểm và 661 công trình quan trắc hiện có và bổ sung các
trạm, điểm còn thiếu đưa tổng số trạm, điểm quan trắc đến năm 2020 là 70 trạm,

vững đất nước trong từng giai đoạn.
- Mạng lưới quan trắc tài nguyên và môi trường quốc gia được quy hoạch phải
bảo đảm tính đồng bộ, tiên tiến, hiện đại, trên phạm vi toàn lãnh thổ và có đội ngũ
cán bộ đủ nă
ng lực để vận hành. Cùng một yếu tố quan trắc, tại mỗi thời điểm và vị
10
trí xác định, việc quan trắc chỉ do một đơn vị sự nghiệp thực hiện theo một quy
trình thống nhất.
- Mạng lưới quan trắc tài nguyên và môi trường quốc gia là một hệ thống mở,
liên tục được bổ sung, nâng cấp và hoàn thiện, kết nối và chia sẻ thông tin bảo đảm
thông suốt từ trung ương đến địa phương với sự quản lý thống nhất của Bộ Tài
nguyên và Môi trường.
- Từng bước hiện đại hóa công nghệ, máy móc và thiết bị quan trắc trên cơ sở
áp dụng rộng rãi các công nghệ nghiên cứu tạo ra ở trong nước và tiếp thu, làm chủ
được các công nghệ tiên tiến của nước ngoài.
Do vậy nghiên cứu , chủ động thiết kế chế tạo các module làm cơ sở xây dựng
hoặc sửa chữa thay thế trạm KTTĐ, từng bước tiến tới nội địa hoá các trạm KTTĐ

; góp phần phòng chống thiên tai, tiết kiệm cho đất nước và đẩy nhanh quá trình
hiện đại hoá mạng lưới QTKTTV tại Việt Nam đang có tính cấp thiết hiện nay.
2.2. Mục tiêu nghiên cứu
 Mục tiêu kinh tế - xã hội:

Thiết kế chế tạo ra các sản phẩm phục vụ nhu cầu cấp bách phòng chống thiên
tai
Thay thế các thiết bị ngoại nhập để giảm giá thành, tiết kiệm cho đất nước.
 Mục tiêu khoa học công nghệ:

-Thiết kế chế tạo ra các module chuẩn để có thể thay thế các module ngoại
nhập và làm cơ sở để thiết kế chế tạo trạm khí tượng và mạng lưới khí tượng tự

cầu cứ 15km2 phải có 1 trạm đo mới đảm bảo cung cấp đủ thông tin cho công tác
dự báo thời tiết. Diện tích Việt Nam là 330991km2 tương ứng cần 22060 trạm đo
KTTV
Hiệu quả kinh tế - xã hội:
Chủ động thiết kế chế tạo sẽ làm giảm chi phí ứng dụng (bao gồm chi phí thiết
bị và chi phí duy trì hoạt động) sản phẩm khoảng 30% - 50% so với nhập ngoại,
góp phần ti
ết kiệm ngoại tệ cho đất nước và các doanh nghiệp, đồng thời nâng cao
năng lực của đội ngũ làm KHCN trong nước.
4. Mô tả phương pháp nghiên cứu
Sensor khí tượng là thành phần cơ sở để xây dựng các trạm khí tượng. Tuy
nhiên chế tạo sensor khí tượng là chưa khả thi trong điều kiện Việt Nam hiện nay.
Các ngành công nghiệp phụ trợ liên quan chưa có hoặc chưa phát triển đến mức để
có thể đả
m bảo chất lượng của sensor sản xuất ra đáp ứng các tiêu chuẩn kỹ thuật,
đồng thời chi phí cho nghiên cứu chế tạo sensor rất lớn (hàng năm thế giới tiêu tốn
hàng chục tỷ đô la cho nghiên cứu chế tạo các sensor).
Qua nghiên cứu bước đầu nhóm thực hiện đề tài nhận thấy giá trị của các
module điện tử liên quan tới xử lý tín hiệu sensor và truyền thông; các phần mềm
giám sát trung tâm chiếm t
ỷ lệ tương đối lớn trong trạm khí tượng tự động và
12
chúng ta có thể hoàn toàn thiết kế chế tạo được. Vì vậy phương pháp nghiên cứu
là: trước hết nhóm thực hiện sẽ khảo sát các trạm khí tượng tại Việt Nam, thu thập,
phân tích các yêu cầu và khả năng áp dụng thực tế . Phối hợp với các chuyên gia
trong lĩnh vực này để tìm hiểu các yêu cầu kỹ thuật phục vụ cho thiết kế. Tại Việt
Nam hiện đã có nhiều trạm khí tượng tự
động đang hoạt động , 100% nhập khẩu.
Sau thời gian hoạt động đã có nhiều sự cố. Việc khắc phục sự cố hiện nay chủ yếu
là mua các thiết bị, module thay thế với giá thành rất cao. Nhóm thực hiện sẽ

13
- Xây dựng mô hình trạm khí tượng tự động.
- Thiết kế chế tạo các module phục vụ đo: tốc độ gió , hướng gió .
- Thiết kế chế tạo datalogger
- Thử nghiệm trong phòng thí nghiệm , hiệu chỉnh và đánh giá
- Viết báo cáo tổng kết KHKT và báo cáo nghiệm thu đề tài.

Nội dung đăng ký thực hiện trong năm 2009 như sau:
-Thiết kế chế tạo các module khí tượng tự động đo các thông số sau: lượng
m
ưa, độ ẩm, nhiệt độ và hoàn thiện datalogger
-Xây dựng phần mềm giám sát trung tâm phục vụ quan trắc khí tượng tự động
- Thử nghiệm tại hiện trường, hiệu chỉnh và đánh giá.
- Viết báo cáo tổng kết KHKT và báo cáo nghiệm thu đề tài
6. Tổng quan tình hình nghiên cứu trong nước.
Hiện nay việc thu thập số liệu và truyền dẫn số liệu quan trắc về Trung tâm
KTTV Quốc gia vẫn thực hiện theo phương pháp thủ
công, quan trắc rời rạc, thực
hiện nhiều lần trong ngày. Mạng quan trắc chưa đủ dày về mật độ. Chưa đạt yêu
cầu đại biểu cho sự biến thiên của đối tượng quan trắc theo không gian và thời
gian. Hiện tại mạng lưới quan trắc có 170 trạm khí tượng bề mặt, 231 trạm thuỷ
văn, 21 trạm khí tượng hải văn, 393 trạm đo mưa nhân dân.
Những trạm quan trắ
c khí tượng tự động trong ngành KTTV hiện nay đều do
nước ngoài cung cấp, tuy nhiên sau một thời gian hoạt động đã hư hỏng. Các trạm
quan trắc khí tượng tự động ngoại nhập giá thành cao, chi phí duy trì hoạt động
lớn, khả năng nâng cấp mở rộng rất khó, khi hỏng đều phải mua module thay thế
chính hãng và thuê chuyên gia xác định sai hỏng với kinh phí lớn, thời gian sửa
chữa cũng không kịp thời làm gián đoạn công việc quan trắ
c trong thời gian dài.

có giao diện truyền thông với thiết bị đọc và lưu dữ liệu (thường là PC). Tất cả các
trạm khí tượng tại hiện trường đều có mộ
t bộ Datalogger. Datalogger tiếp nhận xử
lý tín hiệu từ các sensor, lưu trữ ,hiển thị phục vụ giao tiếp HMI (theo dõi tại hiện
trường, cấu hình hệ thống và calibrate), truyền dữ liệu thu được tới base station.
Phương thức truyền dữ liệu đi xa: hay sử dụng là dùng telephone-network,
cellular telephone, GSM, sử dụng kênh truyền thông riêng qua vệ tinh (GOES,
METEOSAT, LEOS, ARGOS, ), truyền không dây dùng sóng radio (UHF,
VHF). Truyền thông tại hiện trường (trong phạm vi hẹp) thường sử dụng các giao
thức trên nền RS232/RS485 như SDI-12, Modbus, Profibus,
Vi điều khiển thường dùng trong trạm KTTĐ hiện nay là loại 16/32bit , có chất
lượng cao và nhiều tính năng ưu việt như: kích thước nhỏ, tiêu hao ít năng lượng,
tốc độ xử lý nhanh, dung lượng bộ nhớ lớn, chống chịu tốt trước các tác động của
môi trường về cơ học và hoá học. Bộ nhớ lưu trữ của datalogger hàng chục/hàng
trăm MB. Dùng thẻ
nhớ ngoài.
15
Phần nguồn nuôi được cung cấp bởi điện lưới, được dự phòng bởi ắc quy, trong
trường hợp trạm đặt ở xa trung tâm nguồn nuôi có thể được cung cấp bởi pin mặt
trời. Nguồn dự phòng và điện lưới sẽ được chuyển đổi tự động khi mất điện.
Trạm khí tượng đặt ngoài trời và treo trên các cột cao tới 10-15m) do vậy do
vậy có hệ thố
ng chống sét trực tiếp (dùng cột thu sét, lồng farađây, ) và sét lan
truyền qua dây dẫn nguồn và dây dẫn tín hiệu. Dữ liệu truyền theo chuẩn quốc tế
(dùng định dạng bản tin: METR, METAR, SPECI, ).
Đầu đo nhiệt độ, độ ẩm và lượng mưa trong trạm khí tượng: Đo nhiệt độ
thường sử dụng PT1000, PT100, đo độ ẩm kiểu điện dung, đo lượng mưa dạng
chao lật có đầ
u ra dạng xung điện. Các bộ datalogger thường thiết kế theo kiểu có
các đầu nối chuẩn , tín hiệu dạng: tương tự 4-20mA (cho các đầu đo nhiệt độ, độ

đầu ra là tương tự ký hiệu là VR22, với dải tín hiệu là điện áp trong khoảng (5-6V).
Các sensor như sensor đo tốc độ gió, hướng gió, sensor đo độ ẩm có đầu ra là dạng
tín hiệu số SR10, tín hiệu được truyền nối tiế
p dưới dạng thanh ghi dịch 10 bít.
Trạm có thể hoạt động bằng nguồn điện lưới hoặc nguồn pin năng lượng mặt trời.

17
a) Sơ đồ bố trí thiết bị của trạm khí tượng tự động AWS 2700 19

Hình 2 - Kết nối tín hiệu đo lường với bộ Datalogger.

Tín hiệu đo lường của các thiết bị lắp trên đỉnh cột như: các sensor đo lường
và tín hiệu đầu ra cho bộ phát sóng UHF (Radio Transmitter 3694) được gom vào
một cáp tín hiệu đi bên trong cột trạm gọi là Mast cable, tất cả các tín hiệu đo
lường này được đưa về bộ Datalogger qua 1 phích cắm 18 chân (11 kênh) Mast
Cable.

Hình 3 - Mặt trước của bộ Datalogger. 20

Đầu vào các tín hiệu từ các sensor đo lường khác được cắm vào các đầu vào
(sensor input for VR22 or SR10) gồm 10 đầu vào 6 chân và 2 đầu vào 10 chân,
trên bộ Datalogger còn có một cổng nối tiếp com port để người dùng có thể truy
cập các dữ liệu từ Datalogger lên máy tính PC.

f) Truyền thông bằng sóng vô tuyến VHF/UHF từ trạm AWS 2700 đến
trạm theo dõi thông số khí tượng Hình 4 - Truyền thông giữa các trạm bằng tín hiệu VHF/UHF

Trường hợp dùng sóng vô tuyến UHF dải tần từ 400 -500MHz

cấu hình gọn nhẹ sử dụng nguồn năng lượng Pin mặt trời. Hình 7 - Toàn cảnh Trạm khí tượng RAWS-F

23
Hình 8 - Các linh kiện của trạm khí tượng RAWS-F Hình 9 - Bộ khung của trạm khí tượng RAWS-F

24
Bộ thu thập dữ liệu Datalogger của trạm RAWS-F
Bộ Datalogger CR1000 của trạm khí tượng RAWS-F có chức năng thu thập
các tín hiệu đo lường từ các sensor khí tượng lưu trữ và xử lý dữ liệu, giao tiếp với
máy tính và mạng lưới khí tượng thông qua các modem truyền dẫn.

Hình 10 - Bộ Datalogger CR1000- Campbell